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Lexikon der Astronomie: Baryogenese

Baryogenese kennzeichnet im Rahmen der Kosmologie eine Entwicklungsphase im frühen Universum, in der die baryonische Materie entstanden ist. Baryonische Materie ist der physikalische Begriff für die gewöhnliche Materie, aus der wir und unsere Umgebung bestehen, also z.B. Protonen und Neutronen.

Am Anfang von allem

Kurz nach dem Urknall befand sich das Universum in der Planck-Ära, in der kaum physikalische Aussagen gemacht werden können. Alle Kräfte waren in dieser Phase zur Urkraft vereint. Schließlich spaltete sich die Urkraft auf, als das Universum gerade mal 10-43 Sekunden (Planck-Zeit) alt war. Ursache für diese spontane Symmetriebrechung war die Abkühlung infolge der Expansion des Universums. 'Kühl' ist kein besonders treffender Begriff: Die Urkraft zerfiel beim Unterschreiten der Planck-Temperatur von 1032 Kelvin in zwei neue Kräfte, die Gravitation und die X-Kraft. Die X-Kraft wird von den Großen Vereinheitlichten Theorien (GUT) prognostiziert. Diese Kraft ist assoziiert mit bestimmten äußerst schweren Austauschteilchen, den X-Bosonen und Y-Bosonen. Mit typischen Massen um 1016 GeV sind diese Teilchen sehr massereich. Ihre Existenz markiert in der Kosmologie die GUT-Ära, die sich an die Planck-Ära anschloss. Baryogenese-Ära und GUT-Ära bezeichnen also dieselbe Entwicklungsphase des Universums.

Weitere Naturkräfte betreten die kosmische Bühne

Mit der weiteren Ausdehnung des Kosmos wurde es zunehmend kälter und es ereignete sich der nächste Phasenübergang: Hierbei 'fror' die elektroschwache Kraft und die starke Kraft aus. Dieser Übergang bei etwa 2 × 1016 GeV bzw. einer Temperatur von 1029 Kelvin bedeutete auch das Ende der massereichen X- und Y-Bosonen: Diese Teilchen mussten in Quarks und Leptonen zerfallen. Damit war auch die Symmetrie zwischen Quarks und Leptonen zerstört. Aus diesen Zerfällen resultierten Myriaden von Quarks, Antiquarks, Leptonen und deren Antiteilchen.

Kleines Missverhältnis, große Wirkung!

Doch lagen am Ende der Zerfälle Materie und Antimaterie nicht in gleichen Mengen vor. Es gab eine geringe Materie-Antimaterie-Asymmetrie: Auf jedes Antiteilchen kamen ein plus ein Milliardstel Teilchen. Dieses extrem geringe Missverhältnis reicht aber schon aus, um die Existenz der heute beobachtbaren 'normalen' Materie und die fast verschwindende Existenz von Antimaterie im Kosmos zu erklären. Was geschah mit den primordialen Vorräten an Materie und Antimaterie? Nun, Materie verträgt sich nicht mit ihrer korrespondierenden Antimaterie. Kommen sie sich zu nahe, zerstrahlen sie in hochenergetische Photonen. Hochenergetisch deshalb, weil schon geringe Ruhemassen der Teilchen (z.B. Elektronen und Positronen mit je 511 keV) ausreichen, um durch den großen Faktor c2 in der berühmten Gleichung E = mc2, eine hohe Energie der Vernichtungsstrahlung zu erhalten. Diese Annihilation setzte auch im frühen Kosmos am Ende der GUT-Ära ein und verwandelte das Universum in ein 'Strahlenmeer'. Die Strahlung war allerdings noch an die dichte Materie gekoppelt. Sie war gefangen im dichten Urgas. Neben den unzähligen Photonen blieb aufgrund der Asymmetrie ein kleiner Teil von Materie übrig. Nach der Zerstrahlung kamen auf jedes Teilchen eine Milliarde Lichtteilchen! Das Konglomerat aus Materieteilchen und Lichtteilchen befand sich danach in einer langen Phase im thermischen Gleichgewicht. Deshalb kann dem Materie-Photonen-Gas eine wohl definierte Temperatur zugeordnet werden.

Endlich Atomkerne & Atome!

Mit der weiteren Ausdehnung des Universums wurde es kühler und die Materie unterlag weiteren Phasenübergängen: die Quarks, die am Ende der GUT-Ära entstanden verloren ihre Freiheit und hadronisierten in der Hadronen-Ära. Die Hadronen, wie Proton und Neutron, verschmolzen zu leichten Atomkernen während der primordialen Nukleosynthese. Schließlich war das Universum kalt genug, dass die Elektronen von den positiv geladenen Atomkernen eingefangen und dauerhaft gebunden werden konnten: Es entstanden neutrale Atome in dieser Rekombinationära. Erst in dieser Phase wurden die Photonen aus ihrem 'Materiekäfig' entlassen: Die Lichtteilchen entkoppelten sich von den Materieteilchen und durchfluteten das Universum: Das dichte Urplasma lichtete sich, es wurde hell. Die entkoppelte Strahlung beobachtet man heute noch, etwa 13 Milliarden Jahre nach ihrer Erzeugung: es ist die kosmische Hintergrundstrahlung. Sie ist der gewichtigste Zeuge dafür, dass sich das hier umrissene Szenario abgespielt hat und das es einen heißen Urknall (engl. Hot Big Bang, HBB) gab.

Erste Sterne, erste Galaxien, Leben

Der Begriff Baryogenese bezeichnet also die Ausbildung von baryonischer Materie. Sie war in den folgenden kosmischen Entwicklungsphasen – der Strukturbildung – die Saat für Objekte, die daraus 'kondensierten': für erste Sterne, Galaxien, Planeten, Leben und am Ende der Kette, den Menschen. In ähnlicher Weise lassen sich für die letztgenannten Bildungsphasen die Begriffe Stellargenese, Galaktogenese, Planetogenese, Biogenese und Anthropogenese ersinnen – doch ist keines davon ist in der Kosmologie gebräuchlich.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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